О том как устроены нуклоны (протоны и нейтроны), субатомные частицы из которых состоят ядра атомов, физикам в целом известно. Их составными частями являются легкие кварки u и d ― элементарные частицы с дробным электрическим зарядом (q_u = +2/3, q_d = –1/3). Тройки кварков объединяются за счет сильного взаимодействия в протоны (uud) и нейтроны (udd). Физики-экспериментаторы очень хорошо изучили процессы, которые происходят при соударении нуклонов друг с другом или с другими элементарными частицами, а физики-теоретики уже научились рассчитывать такие процессы в разных диапазонах энергии столкновений, но пока еще не умеют из первых принципов вывести свойства нуклонов. Не умеют, но очень хотят научиться.

Учиться легче всего на простых случаях, и Природа «помогла» нам, создав еще по две более тяжелые «копии» этих кварков ― c и t являются аналогами u, а s и b – d кварка. Топ-кварк (t, англ. top) очень тяжелый и очень быстро распадается, не успевая образовывать связанные состояния; а вот странный (s, англ. strange), очарованный (c, charm) и прелестный (b, beauty) кварки могут. При этом, чем массивнее кварки, тем проще становится теоретический расчет свойств частиц, которые из них образованы. Поэтому, систематизировав знания о свойствах барионов (тяжелых аналогов нуклонов), можно будет в будущем добиться прорыва в расчете свойств протонов. Изучением таких частиц на БАК занимается эксперимент LHCb.

Эксперимент LHCb в основном изучает частицы, в состав которых входят тяжелые c и b кварки. LHCb отличается от других экспериментов БАК, он исследует частицы, вылетающие близко к направлению оси пучков сталкивающихся протонов (от 0,6 до 14,3 градусов). Выбор такого углового диапазона связан с механизмом рождения тяжелых кварков; кварки образуются в соударениях составных частей протона: кварков и частиц-переносчиков сильного взаимодействия, получивших название глюоны (англ. glue – клей) и оказывается, что большая часть родившихся пар кварк–антикварк летит вперед. Поэтому на сегодняшний день LHCb обладает наибольшим по размеру набором экспериментальных данных о c и b адронах.

Адрон ― частица, состоящая из кварков, и участвующая в сильных взаимодействиях (например, протоны относятся к классу адронов). Эти частицы почти мгновенно образуются из родившихся кварков, а вот распадаются они по-разному. Если энергетически доступны каналы распадов, происходящих за счет сильного взаимодействия, то адроны распадаются за времена порядка 10^–24 секунды, а вот если таких каналов нет, то распады могут идти через превращения кварк одного сорта в другой (физики говорят, кварки меняют свой аромат).. Процессы с изменением аромата кварков идут гораздо медленнее; характерные времена порядка 10^–12 ― 10^–14 секунды. Частицы, рожденные в протон-протонных соударениях на БАК и распадающиеся с изменением аромата (под действием слабых сил), столь быстры, что успевают отлететь на некоторое расстояние точки своего рождения. На этом и основан принцип их поиска.

Выделяют частицы так. Сначала на основе информации с детекторных систем эксперимента находят и вычисляют траектории заряженных частиц. Особенность LHCb в том, что его вершинный полупроводниковый детектор позволяет точно вычислять траектории вблизи точки соударения протонов (реконструировать их треки). Само место, где столкнулись частицы характеризуется большим количеством пересекающихся треков, однако если недалеко на расстояниях порядка десятых долей миллиметра найдена точка пересечения двух или более треков – то это экспериментальное событие хороший кандидат на события, в котором родились тяжелые кварки. Более того так как b кварк предпочитает распадаться с испусканием c кварка, образуются цепочки таких распадов, вершины которых находятся на некотором отдалении друг от друга. Такие же цепочки образуются при распада дважды-очарованных частиц, содержащих два c кварка, которые распадаются поочереди.

Важно отметить, что трекам дочерних частиц можно определить какая конкретно частица распалась и какой энергией она обладала, а зная это и точки её рождения и распада можно вычислить сколько времени она прожила. Элементарные частицы распадаются по закону радиоактивного распада, поэтому имеет смысл говорить о среднем времени жизни, параметре, определяемом по свойству совокупности распадов частиц.

Огромная экспериментальная статистика и возможность точного измерения времени жизни очарованных и прелестных частиц являются преимуществами адронных соударений высоких энергий, однако у всего есть своя цена. Платой за эти преимущества является огромный фон ― большое количество треков от других родившихся частиц. Достаточно взглянуть на типичное событие с рождением тяжелых кварков, чтобы понять, их поиск ― нетривиальная задача. Однако существуют процессы, которые могут быть исследованы только на детекторах подобных LHCb, например, рождение дважды-очарованных барионов.

То, что дважды-очарованные барионы существуют не вызывало сомнений. Физики-теоретики довольно точно предсказывали, что они должны быть примерно в 3.7 – 3.9 раза тяжелее протона, и иметь время жизни в диапазоне 200 – 1100 фемтосекунд (1 фс ― одна квадриллионная часть секунды), но рождается таких частиц мало. В прошлом году LHCb удалось зафиксировать один из каналов распада такой частицы, называемой Ξ_cc⁺⁺ (её кварковый состав ― ccu). Изучался каскад распадов Ξ_cc⁺⁺: на первом этапе один из с-кварков переходил в s кварк в результате чего образовывался Λ_c⁺-барион и три легких мезона: K⁻, π⁺ и π⁺; на втором этапе распадался второй с-кварк в результате чего уже частица Λ_c⁺ распадалась на протон и пару мезонов K⁻ и π⁺. Восстановив эту цепочку распадов, физики измерили массу Ξ_cc⁺⁺, которая оказалось равной 3621,4 MeV/c².

Чтобы измерить время жизни открытой частицы, нужно было откалибровать временную шкалу. Это делалось при помощи контрольного канала распада частицы Λ_b⁰ (её время жизни хорошо измерено) на Λ_c⁺-барион и три легких мезона: два π⁻ и один π⁺. Такой распад топологически похож на исследуемый распад Ξ_cc⁺⁺. Такой подход позволяет заметно снизить систематические погрешности измерения. На следующем рисунке показано отношение распределений по времени жизни событий распада Ξ_cc⁺⁺ и Λ_b⁰, а также его математическое описание, в которое среднее время жизни входит как параметр. Данные лучше всего описываются в предположении, что среднее время жизни примерно 250 фс.

Для частиц, содержащих в своем составе тяжелые кварки, характерно одновременное существование многих каналов распада, регистрация которых должна подтвердить сделанное ранее открытие. И вот летом 2018 года, еще один каскадный канал распада этой частицы был найден ― Ξ_cc⁺⁺ распадается на π⁺-мезон и Ξ_c⁺-барион, который в свою очередь распадается на протон, K⁻ и π⁺. Сигнал проявляет себя как пик в распределении событий кандидатов в спектре массы дочерних частиц. Положение пика соответствует массе Ξ_cc⁺⁺-бариона ― 3620.6 ± 1.5_стат ± 0.5_сист MeV/c², что находится в прекрасном согласии с предыдущими измерениями в Λ_c⁺K⁻π⁺π⁺-канале. Статистическая значимость повторного открытия (степень отличия экспериментального спектра от гипотезы, что вклад дают только фоновые процессы) составляет 5,9 стандартных отклонения. Это позволяет говорить о том, что существование дважды-очарованной частицы надежно установлено. Сейчас физики ищут частицы с другим кварковым составом: Ξ_cc⁺ (ccd) и Ω_cc⁺ (ccs). Их открытие в ближайшее время весьма вероятно.

Уже сейчас можно сказать, что отрыта новая страница в физике элементарных частиц, и она далеко не последняя. В будущем будет возможно найти прелестно-очарованные барионы или даже дважды-прелестные. Нужно только хорошенько поискать.

Алексей Дзюба, старший научный сотрудник Отделения физики высоких энергий НИЦ КИ ― ПИЯФ